Notícia

Célula a combustível ultrafina usa a glicose do corpo para gerar eletricidade e poderia alimentar implantes e sensores

Kent Dayton, MIT

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

terça-feira, 17 maio 2022 17:55

Áreas

Bioeletrônica. Bioquímica. Ciência dos Materiais. Eletroquímica. Engenharia Biomédica. Nanotecnologia.

A glicose é o combustível que alimenta cada célula do nosso corpo. Será que a glicose também poderia alimentar os implantes médicos e sensores do futuro?

Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, e da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, pensam que sim. Eles projetaram um novo tipo de célula a combustível que converte a glicose diretamente em eletricidade. O dispositivo é menor do que outras células a combustível alimentadas por glicose propostas, medindo apenas 400 nanômetros de espessura, ou cerca de 1/100 do diâmetro de um fio de cabelo humano. A fonte de energia gera cerca de 43 microwatts/cm² de eletricidade, alcançando a maior densidade de energia de qualquer célula a combustível de glicose desenvolvida até hoje, em condições ambientais normais.

O novo dispositivo também é resistente, capaz de suportar temperaturas de até 600 ^oC. Se incorporada a um implante médico, a célula de combustível pode permanecer estável através do processo de esterilização de alta temperatura necessário para todos os dispositivos implantáveis.

O coração do novo dispositivo é feito de cerâmica, um material que mantém suas propriedades eletroquímicas mesmo em altas temperaturas e escalas em miniatura. Os pesquisadores preveem que o novo design pode ser transformado em filmes ou revestimentos ultrafinos e enrolado em implantes para alimentar passivamente a eletrônica, usando o abundante suprimento de glicose do corpo.

“A glicose está em todo o corpo, e a ideia é colher essa energia prontamente disponível e usá-la para alimentar dispositivos implantáveis”, disse o Dr. Philipp Simons, que desenvolveu o projeto como parte de sua tese de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT. “Em nosso trabalho, mostramos uma nova eletroquímica de células a combustível de glicose.”

“Em vez de usar uma bateria, que pode ocupar 90% do volume de um implante, você poderia fazer um dispositivo com um filme fino e teria uma fonte de energia sem pegada volumétrica”, disse a Dra. Jennifer Rupp, orientadora de doutorado de Philipp Simons enquanto professora visitante no MIT e professora de Química de Eletrólitos de Estado Sólido na Universidade Técnica de Munique, na Alemanha.

Os resultados foram publicados na revista científica Advanced Materials.

Material cerâmico

Os pesquisadores projetaram uma célula a combustível de glicose com um eletrólito feito de céria, um material cerâmico que possui alta condutividade iônica, é mecanicamente robusto e, como tal, é amplamente utilizado como eletrólito em células a combustível de hidrogênio. O material também se mostrou biocompatível.

“A céria é ativamente estudada na comunidade de pesquisa do câncer. Também é semelhante à zircônia, que é usada em implantes dentários, e é biocompatível e segura”, observou o Dr. Philipp Simons.

A equipe ’empacotou’ o eletrólito com um ânodo e um cátodo feitos de platina, um material estável que reage prontamente com a glicose. Eles fabricaram 150 células a combustível de glicose individuais em um chip, cada uma com cerca de 400 nanômetros de espessura e cerca de 300 micrômetros de largura. Eles padronizaram as células em pastilhas de silício, mostrando que os dispositivos podem ser emparelhados com um material semicondutor comum. Eles então mediram a corrente produzida por cada célula à medida que fluíam uma solução de glicose sobre cada camada em uma estação de teste customizada.

Os pesquisadores descobriram que muitas células produziam um pico de tensão elétrica de cerca de 80 milivolts. Dado o pequeno tamanho de cada célula, essa saída é a maior densidade de potência de qualquer projeto de célula a combustível de glicose existente.

“É fantástico, somos capazes de extrair energia e corrente suficientes para alimentar dispositivos implantáveis”, disse o Dr. Philipp Simons.

“É a primeira vez que a condução de prótons em materiais eletrocerâmicos pode ser usada para conversão de glicose em energia, definindo um novo tipo de eletroquímica. Ele estende os casos de uso de materiais de células a combustível de hidrogênio para novos e interessantes modos de conversão de glicose”, destacou a professora Jennifer Rupp.

Os pesquisadores “abriram um novo caminho para fontes de energia em miniatura para sensores implantados e talvez outras funções”, disse o Dr. Truls Norby, professor de Química da Universidade de Oslo, na Noruega, que não participou do trabalho. “As cerâmicas utilizadas são atóxicas, baratas e não menos inertes tanto às condições do corpo quanto às condições de esterilização antes da implantação. O conceito e a demonstração até agora são realmente promissores.”

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Jennifer Chu, MIT News Office. Imagem: Chip de silício com 30 microcélulas a combustível de glicose individuais, vistas como pequenos quadrados prateados dentro de cada retângulo cinza. Fonte: Kent Dayton, MIT.

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